疊前深度偏移初始速度模型建模方法應(yīng)用研究
——以JY工區(qū)崎嶇海底為例

薛懷艷, 張星宇

(中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣州 510240)

疊前深度偏移初始速度模型建模方法應(yīng)用研究
——以JY工區(qū)崎嶇海底為例

薛懷艷, 張星宇

(中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣州 510240)

Dix公式法和速度約束反演法，是地震資料疊前深度偏移建立初始速度模型的兩種主要方法。首先利用JY工區(qū)深水崎嶇海底的資料對(duì)這兩種速度建模方法的成像能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，這兩種方法都不能得到合理的初始速度模型。此外，通過速度約束反演得到的初始速度模型可以沿層位生成平均層速度模型。再利用垂向上地層埋深與速度關(guān)系和橫向上同一套沉積地層與速度關(guān)系來共同修正平均層速度模型，這樣可以獲得更符合地質(zhì)條件的初始速度模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過引入地質(zhì)背景的約束有利于建立起更為準(zhǔn)確的初始速度模型，為后續(xù)的疊前深度偏移成像提供了有利保障。

崎嶇海底； 速度約束反演； 初始速度模型； 疊前深度偏移

0 引言

珠江口盆地東部，經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，勘探目標(biāo)已經(jīng)逐步的由淺水區(qū)向深水區(qū)延伸。由于從潛水到深水的過渡區(qū)域位于陸架破折帶上，海水深度由500 m急劇變?yōu)? 500 m左右，且溝壑縱橫，水道切割關(guān)系復(fù)雜，造成了海底速度場(chǎng)橫向變化劇烈，利用時(shí)間偏移已經(jīng)不能夠?qū)５灼閸鐓^(qū)域的中深層進(jìn)行準(zhǔn)確成像[1]。深度偏移由于考慮了射線偏折和薄透鏡項(xiàng)的影響，依然是現(xiàn)今能夠適應(yīng)崎嶇海底，對(duì)復(fù)雜構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確成像最具潛力的技術(shù)[2]。對(duì)于深度偏移成像方法而言，從Kirchhoff疊前深度偏移、波動(dòng)方程疊前深度偏移到高斯束疊前深度偏移和逆時(shí)偏移，一直吸引著國(guó)內(nèi)、外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，為復(fù)雜構(gòu)造成像提供了較為完善的技術(shù)和方法[3-5]。

關(guān)于速度建模地研究也一直是學(xué)術(shù)界比較活躍的研究領(lǐng)域，由于全波形速度反演還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，所以基于層析反演理論的疊前深度偏移速度建模方法，仍將是工業(yè)界速度建模的主流技術(shù)[6]。依照目前的常規(guī)技術(shù)流程，速度建模主要可以分為2步：①利用疊前時(shí)間偏移的層速度模型，提取其低頻分量用來構(gòu)建深度偏移的初始速度模型；②在初始速度模型的基礎(chǔ)上，利用層析成像與疊前深度偏移進(jìn)行迭代更新初始速度模型直到速度模型達(dá)到較高精度，生成的成像道集拉平為止[7-8]。然而第①步建立的初始速度模型的精度直接決定著后續(xù)層析迭代反演的收斂程度，如果初始速度模型產(chǎn)生了較大的偏差，則通過層析反演修正后的速度模型就很可能會(huì)收斂到局部極值，對(duì)成像結(jié)果造成嚴(yán)重的影響[9-10]。

目前，建立深度域初始速度模型的方法主要有3種：①基于Dix公式的方法即直接利用Dix公式，將時(shí)間偏移的均方根速度轉(zhuǎn)換成深度域初始層速度模型[11]；②利用速度約束反演的方法(CVI)，其原理與Dix公式類似只是在反演速度模型的過程中增加了約束條件；③相干反演，該方法的原理是利用射線追蹤，計(jì)算每個(gè)層位在CMP道集中的時(shí)距曲線，時(shí)距曲線相關(guān)最大值所對(duì)應(yīng)的層速度即為該層的速度，從原理上講相干反演的精度可能較高，但在實(shí)際生產(chǎn)中其操作復(fù)雜，對(duì)資料信噪比要求較高，且在速度橫向變化劇烈的地方多解性強(qiáng)，因此該方法本身實(shí)用性不高[12]。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中用到的主流方法依然是Dix公式和速度約束反演法。這里依據(jù)JY地區(qū)實(shí)際地震資料，并結(jié)合對(duì)該地區(qū)已有關(guān)于速度研究的認(rèn)識(shí)，總結(jié)出了一套更加實(shí)用的建立初始速度模型的方法，而且通過與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析對(duì)比，得出了對(duì)實(shí)際工作具有參考價(jià)值的結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

1 深度域初始速度模型原理和應(yīng)用效果分析

1.1 Dix公式計(jì)算層速度模型

設(shè)有n層水平層狀介質(zhì)各層層速度為vi，第n層的旅行時(shí)為tn，第一層到第層的均方根速度為vRn，則Dix公式為式(1)。

(1)

Dix公式由于簡(jiǎn)單高效，能夠快速的利用均方根速度得到層速度，所以在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常被使用。但算法本身只適用于水平層狀介質(zhì)，在速度橫向變化大的區(qū)域利用Dix公式直接去反演層速度很容易造成高頻震蕩的假象，而且均方根速度較小的誤差就會(huì)對(duì)層速度的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大地影響[13-14]。由圖1(a)可以看出,均方根速度場(chǎng)中深層的速度變化已經(jīng)受到了崎嶇海底地影響，從圖1(b)中可以看出，在海底溝壑較深的區(qū)域構(gòu)造產(chǎn)狀普遍下傾，可能是由于海水的速度較低導(dǎo)致的假象，且中深層成像效果欠佳。從圖2可以看出，由Dix公式計(jì)算得到的層速度存在嚴(yán)重的震蕩，而這種震蕩與實(shí)際地層的速度變化趨勢(shì)不符。CRP成像道集的剩余曲率比較大，拉伸嚴(yán)重，因此可以認(rèn)為這種簡(jiǎn)單的基于垂向單道速度反演的方法，在速度橫向變化劇烈的區(qū)域不能正確地反演出層速度場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

圖1 均方根速度場(chǎng)及其成像結(jié)果Fig.1 RMS velocity model and imaging result(a)均方根速度場(chǎng)；(b)Kirchhoff疊前時(shí)間偏移結(jié)果

圖2 Dix公式轉(zhuǎn)換得到的層速度模型及其CRP道集Fig.2 Interval velocity model gained through Dix method and CRP gathers(a)Dix公式轉(zhuǎn)換得到的層速度模型; (b)Dix公式轉(zhuǎn)換得到層速度進(jìn)行Kirchhoff疊前深度偏移生成CRP道集

1.2 速度約束反演(CVI)計(jì)算層速度模型

速度約束反演實(shí)際上就是在Dix公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[15]，其核心思想是所反演得到的層速度不僅盡量地滿足Dix公式，而且在層內(nèi)是連續(xù)變化的，滿足這樣的趨勢(shì)函數(shù)：

(2)

(3)

圖3是速度約束反演得到的相同測(cè)線的層速度模型及其Kirchhoff疊前深度偏移生成的CRP道集。圖2與圖3相比，兩者低頻分量具有一定相似性，但CVI反演速度模型的結(jié)果橫向連續(xù)性比Dix公式好，采用這種方法可以有效地消除部分速度異常點(diǎn)，減小由Dix公式反演產(chǎn)生的高頻振蕩對(duì)速度模型的影響。從Kirchhoff疊前深度偏移生成的同一成像位置的CRP道集，可以看到道集的成像質(zhì)量相對(duì)于Dix公式在中深層3 000 m～5 000 m范圍內(nèi)有所改善，但道集整體的能量聚焦性依然欠佳。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得到2個(gè)基本認(rèn)識(shí): ①速度約束反演相對(duì)于Dix公式具有更好的穩(wěn)定性; ②其反演速度場(chǎng)精度有限依然不能適應(yīng)速度橫向變化大的情況。

圖3 CVI公式反演出的層速度及其CRP道集Fig.3 Interval velocity model gained through constrained velocity inversion and CRP gathers(a)CVI反演得到的層速度模型; (b)利用CVI公式反演出的層速度模型進(jìn)行Kirchhoff疊前深度偏移生成CRP道集

2 深度域初始速度模型

上面提到的Dix公式法和速度約束反演法，都不能克服速度橫向變化大的問題。原因主要在于利用時(shí)間偏移迭代分析速度場(chǎng)的過程中，并沒有考慮地震射線路徑上速度場(chǎng)的變化。某一個(gè)具體的成像點(diǎn)的成像質(zhì)量，只與該成像位置的均方根速度有關(guān)，而與上覆地層和相鄰位置的速度無關(guān)，這一點(diǎn)雖然使得疊前時(shí)間偏移速度分析和迭代更新變得簡(jiǎn)單方便，但同時(shí)也嚴(yán)重降低了速度場(chǎng)分析的精度，降低了成像質(zhì)量。甚至在某些速度橫向變化較大的區(qū)域，利用這種速度分析方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，其生成的層速度模型尤其是低頻分量也會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的偏差。利用這種層速度模型直接作為初始速度模型，有可能導(dǎo)致后續(xù)的疊前深度偏移速度迭代不收斂。因此，在建立初始速度模型的過程中應(yīng)當(dāng)引入地質(zhì)背景的約束，利用埋深與速度在垂向上的變化關(guān)系和沉積地層與速度在橫向上的變化關(guān)系，合理地約束速度場(chǎng)的宏觀變化趨勢(shì)，從而獲得理想的初始速度模型。

圖4 沿層提取的平均層速度模型Fig.4 Average velocity of layer model generated along the horizon

圖4是在CVI反演獲得的層速度模型基礎(chǔ)上沿層提取的同一測(cè)線的平均層速度模型。根據(jù)對(duì)該區(qū)域以往地認(rèn)識(shí)，該區(qū)域地層速度整體垂向上主要受埋深壓實(shí)控制，速度在橫向上主要受沉積地層的影響，速度沿同一套沉積地層變化相對(duì)穩(wěn)定。因此可以首先利用已有的地質(zhì)解釋層位作為框架，提取出每一層的平均速度作為初始背景速度；然后統(tǒng)計(jì)不同層位的速度控制點(diǎn)與埋深的梯度關(guān)系，剔除異常值，在選取速度控制點(diǎn)的過程中，要以平面上沿層平均速度值作為參考值對(duì)所選的種子點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制；最后利用統(tǒng)計(jì)出的速度控制點(diǎn)與埋深的變化關(guān)系分別沿層位垂向和橫向進(jìn)行插值，就重新構(gòu)建起了新的初始層速度模型。

圖5是通過利用埋深和沉積地層關(guān)系共同約束建立起的初始速度模型及其Kirchhoff疊前深度偏移生成的CRP道集。從圖5(a)可以看出，新生成的速度模型不但保留了原始平均層速度的部分低頻分量，而且在垂向上層間層厚度內(nèi)速度趨勢(shì)基本上符合埋深的梯度變化，在橫向上速度沿層位的變化也比較平緩，符合地質(zhì)沉積規(guī)律。從圖5(b)可以看出，無論是成像質(zhì)量還是能量聚焦性都明顯優(yōu)于前兩種方法，證明采用的這種在地學(xué)信息約束下建立起的初始速度模型是可靠的。

圖5 引入地學(xué)信息約束建立的初始層速度模型及其CRP道集Fig.5 Initial velocity model gained through introducing the constraints of geological information and CRP gathers(a)初始速度模型;(b)Kirchhoff疊前深度偏移生成CRP道集

3 疊前深度偏移成像效果

圖6(a)是利用高精度網(wǎng)格層析對(duì)圖5(a)地質(zhì)信息約束下建立的初始速度模型迭代更新后的結(jié)果，以及在同一測(cè)線位置的最終疊前深度偏移結(jié)果和CRP成像道集。通過對(duì)比更新前后的速度模型可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格層析更新后的速度模型與初始速度模型依然具有較高的相似性，表明初始速度模型的低頻分量是比較穩(wěn)定的，同時(shí)也可以看出，在低頻分量穩(wěn)定性較好的前提下網(wǎng)格層析，可以進(jìn)一步反演出速度模型的高頻分量，豐富速度模型細(xì)節(jié)信息。這一點(diǎn)不但在速度模型上有體現(xiàn)，而且還可以從CRP道集上得到映證,圖6(c)與圖5(b)相比，在深度3 800 m的位置CRP道集成像質(zhì)量明顯改善，道集能量聚焦性增強(qiáng)，出現(xiàn)了較強(qiáng)的反射界面。從成像剖面上來看相比于疊前時(shí)間偏移，在海底溝壑深的位置CDP在1 400～1 500附近地層構(gòu)造受海水的影響被消除，構(gòu)造形態(tài)不在下傾并且真實(shí)形態(tài)得到恢復(fù)。此外，對(duì)于中深層的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于疊前時(shí)間偏移。

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1)對(duì)JY區(qū)域而言，由于崎嶇海底導(dǎo)致海底速度場(chǎng)橫向變化較大，疊前時(shí)間偏移已經(jīng)不能夠滿足對(duì)構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確成像的要求，而疊前深度偏移可以取得比較理想的成像結(jié)果。

2) Dix公式和速度約束反演兩種方法在速度橫向變化劇烈的情況下,都不能夠反演出較為理想的初始速度模型，其Kirchhoff疊前深度偏移生成的CRP道集質(zhì)量欠佳。

圖6 網(wǎng)格層析反演得到的速度模型及其Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果和CRP道集Fig.6 Interval velocity model gained through grid-based tomography inversion， Kirchhoff prestack depth migration result， CRP gathers(a)層速度模型;(b)Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果;(c)CRP道集

3)以速度約束反演獲得的平均層速度模型作為參考，再結(jié)合埋深與速度在垂向上的關(guān)系和同一套沉積地層與速度在橫向上的關(guān)系共同約束建立起的初始速度模型，能夠較準(zhǔn)確地反映出速度模型的低頻趨勢(shì)，其疊前深度偏移生成的CRP道集質(zhì)量較好。

4)相對(duì)于速度模型的高頻分量，速度模型的低頻分量對(duì)成像質(zhì)量具有更大地影響。

5)在初始速度模型的低頻分量比較可靠的前提下，網(wǎng)格層析可以反演出速度模型的高頻分量，進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

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Application research on the strategy of building initial velocity model in prestack depth migration:A case from rough deep sea bottom in JY area

XUE Huaiyan, ZHANG Xingyu

(China National Offshore Oil Corporation(Shenzhen), Guangzhou 510240，China)

Dix formula method and constrained velocity inversion are two main initial model-building methods of prestack depth migration in seismic data processing. Using seismic data of rough deep sea bottom from JY area, the imaging abilities of the two methods were experimentally analyzed, and thus concluded that both methods could not obtain the reasonable initial velocity model. Furthermore, the average velocity of layer model can be generated along the horizon through velocity model obtained by using constrained velocity inversion. Then by using the relationship between vertical velocity function with depth, as well as the relationship between the same set of sedimentary strata with velocity on horizontal, which could common correct the average velocity of layer model. So we can get more in line with the initial velocity model of geological conditions. Experimental results show it could be helpful to establish a more accurate initial velocity model through introducing the constraints of geological background, which would provide the advantageous safeguard for subsequent imaging quality of prestack depth migration.

rough deep sea bottom; constrained velocity inversion; initial velocity model; prestack depth migration

2015-11-04 改回日期：2016-10-19

薛懷艷(1965-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛蜌饪碧介_發(fā)高分辨率地震資料處理與解釋，E-mail：xuehy@cnooc.com.cn。

1001-1749(2017)01-0103-06

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A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.15